CFRP约束钢管高强混凝土柱的约束机理与设计方法研究

High-strength concrete-filled steel tube technology is an economic and effective method to solve "fat column" problem in reinforced concrete high-rise buildings and to increase the spanning capacity of bridge structure, by which it is widely used in high-rise buildings and long-span bridges . However, using of high-strength concrete will increase brittleness in CFT columns, and the application of high-strength thin-walled steel tube will result in local stability issues. Based on the above engineering background, the project will focus on mechanical properties and working mechanism of CFRP confined high-strength concrete-filled steel tube columns. This Project will take advantage of the silicon piezoresistive pressure gauge and propose a new test method based on axial stress and confinement stress of core concrete.The passive confinement model will be established , and the mechanism of shear slip failure of core concrete being delayed by confinement from steel tube will be revealed. Through axial compression test, the confinement mechanism of CFRP confined high-strength concrete-filled steel tube will be revealed, and the mathematical relationship of the CFRP confinement parameters and confinement coefficient will be established. Then, compression-bending tests will be conducted to reveal the confined mechanism of CFRP to high strength concrete-filled tube beam-columns, and to find the regularity of the capacity and ductility are improved by CFRP confined. Finally, design method and simplified model based on performance of the CFRP confined high-strength concrete-filled tube will be developed to guide engineering practice.

钢管高强混凝土结构技术是解决钢筋混凝土高层建筑"胖柱"问题和增大桥梁结构跨越能力的经济而有效的措施，在高层建筑与大跨桥梁工程中得到了卓有成效的应用。但采用高强混凝土会使钢管混凝土柱的脆性增大，而高强薄壁钢管的应用会导致钢管局部稳定问题变得突出。基于上述工程背景，本项目重点研究CFRP约束钢管高强混凝土柱的力学性能和工作机理。本项目拟发挥硅压阻式压力计的优势，提出基于核心混凝土轴向应力与约束应力的测试新方法，建立核心混凝土被动约束模型，揭示钢管约束延迟核心混凝土出现剪切滑移破坏的机理。通过轴心受压试验揭示CFRP约束钢管高强混凝土的约束机理，建立CFRP约束参数与套箍率的数学关系，确定破坏模态转化的临界值。进行压弯试验，揭示CFRP对钢管高强混凝土压弯构件的约束机理，获得CFRP约束对提高承载力和延性的规律。提出基于性能的CFRP约束钢管高强混凝土的分析与设计方法用于指导工程实践。

钢管高强混凝土结构技术是解决钢筋混凝土高层建筑“胖柱”问题和增大桥梁结构跨越能力经济而有效的措施，但是采用高强混凝土会使钢管混凝土柱的脆性增大，而高强薄壁钢管的应用会导致钢管局部稳定问题变得突出。基于上述工程背景，本文结合目前对钢管高强混凝土柱与CFRP钢管普通混凝土研究的现状进行分析与比较，开展了一系列实验与理论研究。.（1）完成了6个CFRP圆钢管普通混凝土短柱和6个CFRP圆钢管高强混凝土短柱轴心受压的对比试验，研究了径厚比、混凝土强度、CFRP层数等参数对试验结果的影响。研究结果表明，当径厚比较大时，即钢管为薄壁时，CFRP圆钢管高强混凝土短柱和CFRP圆钢管普通混凝土短柱通常出现剪切破坏，CFRP套箍指数对CFRP圆钢管高强混凝土短柱和CFRP圆钢管普通混凝土短柱轴压极限承载力的影响区别比较大。.(2) 在钢管混凝土柱的试验研究基础上，进行了7根CFRP约束圆钢管混凝土柱的抗震试验。通过对试件破坏形态、滞回性能、骨架曲线、退化性能、耗能能力等性能指标的对比，分析了不同的约束方法对改善钢管混凝土受力机理及抗震性能的差异。研究结果表明本文介绍的带缓冲垫层的双向约束方法能够提高碳纤维的整体约束效果，增大塑性铰区的工作范围，提高构件的变形性能。.(3) 采用ABAQUS有限元软件建立了CFRP约束钢管混凝土柱的精细化有限元模型，考虑了不同材料(钢管，核心混凝土和CFRP)在往复荷载作用下的本构关系模型，材料与几何非线性，以及不同材料之间的接触关系。通过与已有试验的对比，验证了模型在模拟CFRP约束钢管混凝土柱在轴压与抗震性能方面的适用性。.(4) 结合本项目试件和工程实际尺寸，建立了典型往复荷载作用下的CFRP约束钢管混凝土柱的精细化有限元模型。对其破坏形态、受力全过程曲线、材料应力分布(钢材、混凝土和CFRP)以及不同材料的接触关系进行了分析。.(5) 提出了不同轴压比作用下CFRP约束对钢管混凝土柱承载力和延性的提高系数，并建议了其荷载—位移骨架曲线模型。以CFRP约束效应系数和轴压比为参数，建议了CFRP约束钢管混凝土柱的荷载—位移滞回曲线模型。以承载能力和延性为设计目标，给出了CFRP约束钢管混凝土柱的构造建议。